ТЕПЛОСЧЕТЧИК Российский патент 1995 года по МПК G01K17/16 

Изобретение относится к теплотехническим измерениям и может быть использовано для измерения количества теплоты, выданной системой теплоснабжения потребителю.

Известно устройство для измерения количества теплоты в системах теплоснабжения, содержащее расходомер с частотным выходом, соединенный со входом формирователя импульсов, мостовую схему с токовым источником питания и последовательно соединенными термопреобразователями сопротивления прямого и обратного потоков, подключенными к питающей диагонали мостовой схемы, выходная диагональ которой через усилитель соединена с входом преобразователя напряжения частота импульсов, элемент И (вентильная схема), первый вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, второй вход к выходу преобразователя напряжение частота, а выход соединен со входом счетчика [1]
Известный теплосчетчик обеспечивает измерение количества теплоты, выданной потребителю, в замкнутых системах теплоснабжения при условии равенства расходов жидкого теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах.

В то же время опыт эксплуатации замкнутых систем теплоснабжения (например, отопительных сетей коммунального хозяйства) свидетельствует о повсеместном невыполнении этого условия. Из-за неудовлетворительного технического состояния распределительных сетей на территории потребителя тепла, в том числе и за счет несанкционированного отбора теплоносителя из тепловых сетей, объем возвратного потока практически всегда существенно меньше объема прямого потока, что требует постоянной "подпитки" отопительных сетей "холодным" теплоносителем.

Для повышения точности учета количества теплоты, выданной потребителю, настоятельно необходим теплосчетчик, работающий в том числе и в условиях неравенства расходов жидкого теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах, т.е. в условиях, когда возвратный поток меньше прямого.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является теплосчетчик, содержащий первый и второй датчики температуры с электрическим выходом, установленные в прямом и обратном трубопроводах, первый и второй расходомеры с частотным выходом, подключенные к первому и второму формирователям импульсов, первый преобразователь "напряжение частота импульсов", и реверсивный и суммирующий счетчики [2]
Известный теплосчетчик учитывает температуру и расход теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах, однако обладает невысокой эксплуатационной надежностью из-за использования схемы управления и внутренней синхронизации работы его элементов с контактными ключами.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в упрощении и повышении его эксплуатационной надежности.

Указанный результат достигается введением в известное устройство второго преобразователя "напряжение частота импульсов", первого и второго элементов И и преобразователя "код-частота импульсов".

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого теплосчетчика; на фиг. 2 схема преобразователя "напряжение частота"; на фиг. 3 схема преобразователя "код частота".

Теплосчетчик содержит первый 1-1 и второй 1-2 датчики температуры с электрическим выходом, установленные в прямом и обратном трубопроводах, соответственно, первый 2-1 и второй 2-2 расходомеры с частотным выходом, первый 3-1 и второй 3-2 преобразователи "напряжение частота импульсов", первый 4-1 и второй 4-2 формирователи импульсов фиксированной длительности, первый 5-1 и второй 5-2 элементы И, преобразователь 6 "код частота импульсов", реверсивный двоичный счетчик 7 и суммирующий счетчик 8.

При этом выходы первого 1-1 и второго 1-2 датчиков температуры соединены со входами первого 3-1 и второго 3-2 преобразователей "напряжение частота", выходы которых соединены с первыми входами первого 5-1 и второго 5-2 элементов И, выходы первого 2-1 и второго 2-2 расходомеров соединены со входами первого 4-1 и второго 4-2 формирователей импульсов, выходы которых соединены со вторыми входами первого 5-1 и второго 5-2 элементов И, выходы первого 5-1 и второго 5-2 элементов И соединены с частотным входом преобразователя 6 "код частота импульсов" и суммирующим входом реверсивного счетчика 7, многоразрядный выход которого соединен со входом задания частоты преобразователя 6 "код частота импульсов", первый и второй выходы которого соединены с вычитающим входом реверсивного счетчика 7 и счетным входом суммирующего счетчика 8.

Датчик 1-1 (1-2) температуры с электрическим выходом может быть выполнен в виде последовательно соединенных термопреобразователей сопротивления и опорного резистора, включенных в мостовую измерительную схему.

В качестве расходомера 2-1 (2-2) с частотным выходом может быть использован объемный счетчик количества жидкости, допоненный преобразователем частоты вращения турбинки в выходную последовательность коротких импульсов.

Преобразователь 3-1 (3-2) напряжение частота (см.фиг.2) может быть выполнен по схеме, содержащей последовательно соединенные коммутатор 9 полярности преобразуемого напряжения, интегратор 10 и компаратор 14, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 9, и дополненной формирователем 12 коротких импульсов с длительностью десятки НС для обеспечения устойчивой работы реверсивного счетчика 7 в режиме счета двух несинхронизированных последовательностей импульсов.

Преобразователь 6 "код частота импульсов" (см.фиг.3) может быть выполнен по схеме двоичного умножителя, содержащей программный счетчик 13 и комбинационные элементы И-ИЛИ 14 и ЗАПРЕТ ИЛИ 15, с двумя выходами: прямого потока импульсов с частотой f_x1 x ˙ f и дополнительного потока с частотой f_x2 (1-x) f, где 0 ≅x≅ 1 относительный цифровой аргумент, определяемый значением m разрядного двоичного кода Х на входе задания частоты Х Х ˙ 2^-m, и дополненной формирователем 16 коротких импульсов.

Температура теплоносителя в прямом (обратном) трубопроводе с помощью датчика 1-1 (1-2) преобразуется в электрический сигнал. Величина этого сигнала в виде напряжения
U₁= Kt°1

U₂= Kt, где K_to_->u коэффициент преобразования температуры в напряжение, поступает на вход преобразователя 3-1 (3-2) "напряжение частота импульсов" с функцией преобразования
f₁= K_U→f·U₁(f₂= K_U→f·U₂), где K_u->f коэффициент преобразования "напряжение частота".

Одновременно расходомер 2-1 (2-2) формирует последовательность импульсов с частотой F₁ (F₂), пропорциональной объемному расходу теплоносителя в прямом G₁ (обратном G₂) трубопроводе
F₁ K_G ˙ G₁ (F₂ K_G ˙ G₂), где K_G масштабный коэффициент расходомера.

С помощью формирователя 4-1 (4-2) импульсы последовательности с выхода расходомера 2-1 (2-2) расширяются до фиксированной длительности
τ_и= где F_макс максимально возможная частота импульсов расходомера.

На входы первого 5-1 (второго 5-2) элемента И, выполняющего операцию умножения, поступают последовательность коротких импульсов с выхода преобразователя 3-1 (3-2) и последовательность импульсов длительностью τ_и с выхода формирователя 4-1 (4-2).

Короткие импульсы преобразователя 3-1 (3-2) проходят на выход первого 5-1 (второго 5-2) элемента И только во время действия импульсов длительностью τ_и. В результате этого средние частоты коротких импульсов на выходе первого 5-1 и второго 5-2 элементов И равны, соответственно
= τ_и·K_G·K_t→U·K_U→f·G₁·t°1

, (1)
= τ_и·K_G·K_t→U·K_U→f·G₂·t°2, (2) и пропорциональны мощностям тепловых потоков в прямом и обратном трубопроводах.

Обычно тепловой поток в прямом трубопроводе больше потока в обратном трубопроводе, поэтому всегда выполняется условие:
>
Это условие необходимо для образования разности частот - двух последовательностей импульсов с помощью двух функциональных элементов: преобразователя 6 "код частота импульсов"и реверсивного счетчика 7.

Пусть в начальный момент времени реверсивный счетчик 7 находится в нулевом состоянии Х (t 0) 0. Импульсы первой последовательности с частотой , будут проходить только на второй вход преобразователя 6 до тех пор, пока не появятся импульсы второй последовательности на суммирующем входе реверсивного счетчика 7, повышая его текущее состояние Х. С учетом функциональной характеристики преобразователя 6 на его первом выходе присутствует последовательность импульсов с частотой
f_x1= x·2^-m x, где 0 ≅X≅ 1 относительный цифровой аргумент.

Импульсы потока с частотой Х ˙ поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика. При выполнении условия > в рассматриваемой дискретной системе с отрицательной обратной связью установится динамическое равновесие между средними числами импульсов в единицу времени, действующими на вычитающем и суммирующем входах реверсивного счетчика 7:
= x и x
Следовательно, на втором выходе преобразователя 6 образуется разность между входным потоком с частотой и потоком на первом выходе преобразователя 6
Δf (1-x)= -. (3)
Подставляя в (3) значения средних частот и , определяемые соотношениями (1) и (2), находим дифференциальную функциональную характеристику теплосчетчика
Δf τ_и·K_G·K_t→U·K_U→f·(G₁t°1

-G₂·t°2).

За время Т_н в счетчик 8 подсуммируется N (Т_н) Δ f ˙ Т_н импульсов, общее число которых пропорционально количеству теплоты, выданной потребителю за время Т_н.

В предложенном теплосчетчике реверсивный счетчик 7 выполняет функцию управляющего регистра с двоичным кодом Х, относительный цифровой аргумент х которого флюктуирует около среднего значения
< 1, что позволяет ограничиться малоразрядным реверсивным счетчиком и реализовать помехоустойчивую операцию вычитания асинхронных число импульсных кодов на протяженных отрезках времени.

Рабочее состояние x / малоразрядного (в один байт) реверсивного счетчика 7 устойчиво, поскольку он охвачен обратной отрицательной связью, быстро восстанавливающей это состояние с помощью так называемого потенциального рельефа с линейным профилем вида: U(x) 2(x).

При 8-разрядном реверсивном счетчике 7 и средних частотах импульсов () ≈ 10⁴-10² имп./с постоянная времени схемы образования разности частот составляет десятые доли сек. что практически обеспечивает нулевые динамические ошибки при отработке флюктуаций реальных режимов теплоотдачи сетей теплоснабжения.

В предложенном теплосчетчике операция формирования числоимпульсных кодов выполняется двумя независимыми каналами. Использование в каждом канале собственного преобразователя 3 "напряжение частота импульсов" позволяет повысить эксплуатационную надежность теплосчетчика в целом за счет отсутствия в нем контактных ключей.

Использование: измерение количества тепла, выданного потребителю, в том числе и при условии неравенства расходов жидкого теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах. Сущность изобретения: устройство содержит два датчика температуры с электрическим выходом, два расходомера с частотным выходом, установленных в прямом и обратном трубопроводах, два преобразователя НАПРЯЖЕНИЕ-ЧАСТОТА ИМПУЛЬСОВ, два формирователя импульсов, два элемента И, схему вычитания числоимпульсных кодов, включающую преобразователь КОД-ЧАСТОТА ИМПУЛЬСОВ и реверсивный счетчик, суммирующий счетчик. 3 ил.

ТЕПЛОСЧЕТЧИК, содержащий первый и второй датчики температуры с электрическим выходом, установленные в прямом и обратном трубопроводах, первый и второй расходомеры с частотным выходом, подключенные к первому и второму формирователям импульсов, первый преобразователь напряжение частота импульсов и реверсивный и суммирующий счетчики, отличающийся тем, что в него введены второй преобразователь напряжение частота импульсов, первый и второй элементы И и преобразователь код-частота импульсов, при этом выходы первого и второго датчиков температуры соединены с входами первого и второго преобразователей напряжение частота импульсов, подключенных к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходам первого и второго формирователей импульсов, выход первого элемента И соединен с частотным входом преобразователя код частота импульсов, первый выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход которого подключен к выходу второго элемента И, многоразрядный выход реверсивного счетчика соединен с входом задания частоты преобразователя код - частота импульсов, второй выход которого подключен к входу суммирующего счетчика.